revista de prototipos tecnológicos · 2018. 3. 28. · [email protected]. editora en jefe:...
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ISSN 2444-4995
Revista de Prototipos
Tecnológicos
ECORFAN®
ECORFAN-Spain
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Revista de Prototipos Tecnológicos,
Volumen 3, Número 8, de Abril a Junio
2017, es una revista editada trimestralmente
por ECORFAN-Spain. Calle Matacerquillas
38, CP: 28411. Moralzarzal - Madrid. WEB:
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[email protected]. Editora en Jefe:
RAMOS-ESCAMILLA María, Co-Editor:
MIRANDA-GARCÍA, Marta, PhD. ISSN-
2444-4995. Responsables de la última
actualización de este número de la Unidad
de Informática ECORFAN. ESCAMILLA –
BOUCHÁN, Imelda, LUNA-SOTO,
Vladimir, actualizado al 30 de Junio 2017.
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Presentación
ECORFAN, es una revista de investigación que pública artículos en el área de: Prototipos
Tecnológicos
En Pro de la Investigación, Docencia, y Formación de los recursos humanos comprometidos con la
Ciencia. El contenido de los artículos y opiniones que aparecen en cada número son de los autores y no
necesariamente la opinión del Editor en Jefe.
Como primer artículo presentamos, Prototipo de un Bote inteligente automatizado con sistema
de control en Arduino, por CHABLÉ, José de Jesús & CRUZ, Ivonne, con adscripción en la
Universidad Tecnológica Fidel Velázquez, como siguiente artículo presentamos, Construcción de
modulo solar fotovoltaico de 60 watts utilizando materiales de bajo costo para pruebas, por VALDEZ-
APARCIO, María Magdalena, MORALES-DOMINGUEZ, Yuval, HERNANDEZ-DOMINGUEZ,
Juan Daniel & HERNÁNDEZ-VELÁZQUEZ, Joel, con adscripción en la Universidad Tecnológica de
Xicotepec de Juárez y el Instituto Tecnológico Superior de Huauchinango, como siguiente artículo
presentamos, Diseño y construcción de generador de energía alternativa, por SOLÍS-MELO, Juan
Carlos, ARRIAGA-PÉREZ, José Ángel, MANZANARES-REYES, Nereyda, VALENZUELA-VILLA,
Javier, con adscripción en la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte, como siguiente artículo
presentamos, Prototipo de control de transferencia eléctrica, por HERNÁMDEZ-BAÑUELOS, Pedro,
con adscripción en la Universidad Tecnológica de Cd Juárez, como siguiente artículo presentamos,
Metodología de diseño iterativo para desarrollar un sistema de trasmisión epicicloidal para
aerogeneradores, por HERNÁNDEZ-ALVARADO, Margarita, PASTRANA-PALMA, Alberto de
Jesús, RODRÍGUEZ-SALAZAR, Adela Eugenia & TALAVERA-RUZ, Marianela, con adscripción en
la Universidad Autónoma de Querétaro y el Instituto Politécnico Nacional.
Contenido
Artículo
Página
Prototipo de un Bote inteligente automatizado con sistema de control en Arduino
CHABLÉ, José de Jesús & CRUZ, Ivonne
1-6
Construcción de modulo solar fotovoltaico de 60 watts utilizando materiales de
bajo costo para pruebas
VALDEZ-APARCIO, María Magdalena, MORALES-DOMINGUEZ, Yuval,
HERNANDEZ-DOMINGUEZ, Juan Daniel y HERNÁNDEZ-VELÁZQUEZ, Joel
7-17
Diseño y construcción de generador de energía alternativa
SOLÍS-MELO, Juan Carlos, ARRIAGA-PÉREZ, José Ángel, MANZANARES-
REYES, Nereyda y VALENZUELA-VILLA, Javier
18-24
Prototipo de control de transferencia eléctrica
HERNÁMDEZ-BAÑUELOS, Pedro
25-30
Metodología de diseño iterativo para desarrollar un sistema de trasmisión
epicicloidal para aerogeneradores
HERNÁNDEZ-ALVARADO, Margarita, PASTRANA-PALMA, Alberto de Jesús,
RODRÍGUEZ-SALAZAR, Adela Eugenia y TALAVERA-RUZ, Marianela
31-38
Instrucciones para Autores
Formato de Originalidad
Formato de Autorización
1
Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 1-6
Prototipo de un Bote inteligente automatizado con sistema de control en Arduino
CHABLÉ, José de Jesús*† & CRUZ, Ivonne
Universidad Tecnológica Fidel Velázquez
Recibido 13 de Abril, 2017; Aceptado 12 de Mayo, 2017
Resumen
En muchas partes de las ciudades de este país, en este
caso México, sufren y carecen del servicio de un camión
de basura, ya que esto no puede llegar debido al tamaño
del camión o simplemente porque no quieren llegar a
ciertos lugares. Por muchas razones, las personas
terminan arrojando su basura a cualquier parte, o
simplemente arrojando su botella pequeña de agua por la
ventanilla del automóvil, lo que hace que el lugar sea un
gran espacio para las bacterias y genere varios tipos de
enfermedades.
Lo anterior provoca descontento con la población, y en
estos casos, se pensó implementar una herramienta para
que las personas tuvieran más motivación para reciclar
PET triturado, botella plástica de desecho (PET),
Tereftalato de Polietileno, en este caso nuestra
herramienta un PET inteligente trituradora, que además
de reciclar el sistema ofrece un producto a cambio con la
motivación de que la persona que lo utiliza continúa
reciclando.
Trituradora de PET, botellas de residuos de mascotas,
tereftalato de polietileno (PET)
Abstract
In many parts of the cities of this country, in this case
Mexico, they suffer and lack the service of a garbage
truck, since this cannot arrive because of the size of the
truck or simply because they do not want to reach certain
places. For many reasons people end up throwing their
garbage anywhere or sometimes simply throwing their
small bottle of water out the car window making the
place a big space for bacteria and generating various
types of diseases.
The above mentioned causes discontent to the
population, and in these cases, it was thought to
implement a tool for people to have more motivation to
recycle PET crushed, waste plastic bottle (PET),
Polyethylene Terephthalate, in this case ours tool an
intelligent PET crusher, which in addition to recycling
the system offers a product in return with the motivation
that the person who uses it continues to recycle.
PET Shredder, Waste Pet Bottles, Polyethylene
Terephthalate (PET)
Citación: CHABLÉ, José de Jesús & CRUZ, Ivonne. Prototipo de un Bote inteligente automatizado con sistema de control
en Arduino. Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017, 3-8: 1-6
*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Spain www.ecorfan.org/spain
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Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 1-6
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un Bote inteligente automatizado con sistema de control
en Arduino. Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017
Introducción
En muchas partes de las ciudades y/o pueblos
se padece de camión de basura no llega no pasa
etc. Por muchas razones las personas terminan
tirando su basura en cualquier lugar o en
algunas ocasiones simplemente tirando su
botellita de agua por la ventana del automóvil
haciendo del lugar un buen espacio para las
bacterias y otros tipos de males.
Provocando desagrados a la población
en estos casos se implementa una herramienta
para que las personas tenga más motivación de
reciclar el PET , en este caso nuestra
herramienta es crear un BOTE INTELIGENTE
el cual su motivación es en cuanto más reciclen
obtendrán algo a cambio.
Planteamiento del problema
En pleno siglo XXI la mayoría de las personas
no tiene inculcado la responsabilidad de separar
la basura o mala costumbre de tirarla en la
calle. En nuestro país la naturaleza se ha visto
afectada por este problema e incluso en nuestro
día con día vemos el PET estorbando en las
coladeras y provoca inundaciones, lastimando a
los animales por los desechos de PET tirados en
los océanos, contaminado aéreas verdes.
Estadísticas sobre demanda de PET en
la Ciudad de México:
● Demanda de PET 55,800 t/año ● Envases de PET recuperados 20,500
t/año ● Porcentaje recuperado para reciclaje
36.7%
Esto quiere decir que 20,500 toneladas de
botella son recuperadas de las 55,800 toneladas
y el 36.7% es lo que se encuentra en las calles
que prácticamente esto es 5146.5 toneladas de
PET, todo esto al año.
El PET lo encontramos en la calle y
océanos provocando enfermedades, condiciones
de vida inadecuadas, inundaciones, etc.
Justificación
Separando el PET del resto de la basura
beneficia al mundo en el que estamos separando
lo reutilizable y biodegradable cuando estos son
juntados hacen más daño, a uno no le permiten
descomponerse libremente y el otro tarda más
de 100 años en degenerase.
Para esto nosotros implementamos el
bote inteligente, teniendo estos botes en varias
calles aledañas las personas pueden ser quienes
salven el medio habiente.
Este con la finalidad de darle otro uso al
PET y los productos orgánicos en vez de estar
en el suelo contaminado nuestro planeta tierra.
El plástico ocupa un lugar importante
dentro de la industria (844 mil toneladas
anuales, 8.9 Kg/persona). En 2014 la demanda
de envases PET globalmente ronda la cifra de
48 mil millones de dólares, con un consumo
total de 16 millones de toneladas, de acuerdo
con un estudio de mercado de Smithers Pira. Se
espera que la demanda global crezca en 4,6%
anual dentro de los próximos cinco años, para
sumar 19,9 millones de toneladas, y 60 mil
millones de dólares. Desde 2010 el consumo de
PET ha estado al alza. Las botellas se están
utilizando cada vez más, representando 80% del
total de la demanda de PET.
Viabilidad
Su método de aceptación al medio en el que se
exponga será posible cambiarse de acuerdo a su
normatividad y visualización en el mismo para
un fácil manejo y proceso de fabricación para
cada ámbito que se proponga.
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Se podría aun tenerle mejoras con costos
bajos conforme a mercado respecto a
estadísticas de precios para mismas cantidades
de su utilización por su tiempo de vida en el
proceso ya que se le puede estar dando un
alargamiento de vida.
Para que sea utilizado es indispensable
ver a nuestro alrededor día con día y darnos
cuenta que la contaminación esta a un punto
crítico no hay lugar que se salve de la basura y
mucho menos del PET está claro que realizar
este bote inteligente combatiría unos de los
problemas que tiene la sociedad, llevar el PET a
los centros de reciclaje para darle una vida útil
después de su uso.
A quien no le gustaría salir, caminar por
un parque y acostarse en áreas verdes limpias.
Ver nuestros parques, comunidades e incluso la
banqueta de nuestra calle limpias libres de
botellas o no preocuparnos por la temporada de
lluvias.
Los mismos ciudadanos podemos
ayudar a estos problemas que tenemos
reciclando, pero como la mayoría no lo hace ni
para su propio bien implementamos el bote
inteligente que les da motivación para reciclar
dándoles un obsequio para su bien y al mismo
tiempo ayudando a limpiar el suelo.
Factibilidad
Nuestro proyecto ayudara al medio ambiente ya
que se reducirá la basura de PET y la población
tendrá un regalo por ayudar a salvar el planeta.
El plástico es uno de los materiales más
utilizados en la vida cotidiana, pero también
representa una de las principales fuentes de
contaminación.
Impacto Social
Se plantea crear en la población una cultura
para poder reciclar más PET y evitar que este se
encuentre en nuestras calles, océanos, parques,
etc. Empezaremos en nuestra institución donde
por cada 4 botellas se obtendrá un obsequio.
¿Por qué aquí? Los estudiantes por la
educación que llevamos ya durante años
estamos más conscientes del impacto de la
contaminación trae día con día nuestros hábitos,
si cada estudiante aporta las botellas
ayudaremos a que la escuela este cada día más
limpia y el PET termine en un lugar que no sea
el drenaje o las áreas verdes. Además que
involucraremos a los estudiantes a reforzar la
ayuda por el planeta.
Impacto Económico
El kilo de PET triturado esta en 12 pesos. Si por
cada 4 botellas de PET el estudiantes obtendrá
2 galletas se piensa tener 5 kilos por el
momento de PET en el contenedor equivale a
60 pesos por un mes q equivale a 720 pesos al
año y lo que es mejor 60 kilos menos de
contaminación en el planeta. Este es un paso
pequeño pero considerable en el tema del
ambiente.
PET (MXN/Kg)
Tipo Menudeo Mayoreo
PET post-consumo a granel
mixto
1.88 4.03
PET post-consumo en pacas
mixto
3.76 6.44
PET hojuelas limpias natural 7.25 12.08
PET pellets natural 12.08 16.11
Tabla 1 Tipo de PET a pesos mexicanos por kilo
Fuente: Elaboración propia
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Impacto Tecnológico
Este producto tiene la innovación de reciclar el
PET por medio de una bascula y una pantalla
LCD mostrara la cantidad de PET reciclada y
conforme con esto se irá obteniendo el molde
para la fabricación del obsequio para la persona
claro y el mayor regalo es no tener basura en su
comunidad. También contara con una pantalla
donde se proporcione información al
estudiantes de la importancia de reciclar y el
aviso que la maquina solo recibe PET para
funcionar.
Resultados
Para el desarrollo del proyecto se destacan
técnicas de mecánica y programación:
● Cuenta con un sistema de aspas de
material de A36. Características del
material A36: Acero estructural de
buena soldabilidad, adecuado para la
fabricación de vigas soldadas para
edificios, estructuras remachadas, y
atornilladas, bases de columnas, piezas
para puentes y depósitos de
combustibles.
● Su eje es de material resistente a
constante movimiento y fricción.
● Engranes de 32 dientes donde su paso es
1 a 1. Cabe señalar que cuentan con su
respectiva cementación.
● Motor de 3HP, relevador, fuente,
conector (que este sirve también como
botón de paro de emergencia), tarjeta de
control arduino, sensores de presencia
como de luz e inductivos, sensor de peso
y servos.
● Para la carcasa; se utilizó ángulos de
PTR los cuales fueron soldados y
pintados. Madera para cubrir las paredes
y polipasto para hacer la tolva.
● En la transmisión que se utiliza para
transmitir los rpm del motor a nuestra
trituradora, las poleas que se utilizo es 1
a 2 que quiere decir esto, las poleas son
3” y 6” para que los rpm que transmite
el motor a las aspas sea la mitad de esos
rpm transmitidos en total.
Para esto se realizó una tabla (2) para su
mayor explicación:
F1 F2 F4
rp
m1 rpm2 rpm3 rpm4
M
oto
r
Pol
ea 1
Po
lea
2
Eje
cond
ucid
o
Spr
oke
T1
Spr
oke
T2
Velo
cida
d
Aspa
s
Velo
cida
d
Line
al
Velo
cidad
Line
al
rp
m rpm
Die
nte
s
Die
nte
s
rpm m/s rpm
17
20 3 6 860 20 20 860
26.9
125
5297
.732
4
Tabla 2 Transmisión de los motores
Fuente: Elaboración propia
En la tarjeta arduino están conectados
los sensores y los servos que dan el
funcionamiento a nuestro proyecto esta
funciona con un voltaje de 5 volts pero, ¿cómo
hacemos funcionar el motor con esta tarjeta?
Ahí es donde entra el relé su funcionamiento es
para transmitir solo los 5 volts que se necesitan
para dar funcionamiento a toda la conexión
electrónica.
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Figura 1 Máquina Trituradora de PET vista lateral
Fuente: Elaboración propia
Contamos con sensores que trabajan a
12 volts, lo que realizamos para que estos
sensores funcionaran son arreglos con
resistencias en un aplaca para que estos operen
con su respectiva capacidad.
Figura 2 Máquina Trituradora de PET vista frontal
Fuente: Elaboración propia
Una pantalla LCD la cual muestra la
cantidad de botella a triturar y el peso contenido
(el peso dado por el sensor de peso).
Funcionamiento
En la parte de arriba de la maquina se
encontraran dos sensores uno de presencia y
metal, cuando este el de presencia mande señal
de 1 y el de metal mande señal e 0 (cuando el
sensor de metal da un numero 1 quiere decir
que es metal por lo tanto no accionara el servo
la puerta de abrir) el servo accionara la puerta
para que esta abra y deje entrar la botella y al
mismo tiempo manda la señal al relevador para
ser accionado el motor. Cuando el motor es
accionado las aspas empiezan su
funcionamiento que es triturar la botella lo
triturado cae en una tolva que será pesado con
un sensor de peso y esto será mostrado en la
pantalla de LCD.
Eficacia Del Proyecto
La importancia del proyecto al realizarlo es que
contribuiremos en el medio ambiente y a quien
no le gusta comer galletas en ambos casos los
involucramos en nuestro proyecto y formamos
los botes inteligentes tiene control automático,
un objetivo que reducir el PET en la institución
y ayudar el medio ambiente. Un proyecto donde
se involucran los valores que llevamos día con
día y el estudio que ya tenemos desde años
pasados.
Agradecimientos
Al profesor Juan Carlos y Carlos Borja por su
dedicación y apoyo para poder tener el
conocimiento nosotros y hacer posible este
proyecto.
También agradecemos al personal de la
institución; Universidad Tecnológica Fidel
Velázquez, que apoyo en el desarrollo del
proyecto.
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Conclusiones
La parte más importante de esto es reducir los
residuos de PET en nuestro planeta
implementamos este sistema con lo que
obtuvimos de la escuela y apoyos externos para
que el PET sea más fácil de desechar y con este
una motivación para las personas de reciclar.
Hoy en día no está de más decir que tenemos un
problema con la basura. Y el PET es uno de los
materiales más difíciles de biodegradarse es por
esto que si implementamos una maquina como
la nuestra será llevado a un monto de reciclaje
más seguro y esto evitara que este en parques,
calles y de más.
Referencias
Ovacen. (2017). Ovacen Periodismo al detalle.
España. Cómo hacer una máquina para
reciclar plástico. Recuperado de
https://ovacen.com/como-hacer-una-maquina-
para-reciclar-plastico/
Villalba, L. A. G., Corral, C. P., López, E. J.
M., & Ordaz, J. L. (2016). Diseño y prototipo
de una máquina trituradora de PET. CULCyT,
(54).
Torres Cedillo Luis. SAGARPA. Subsecretaria
de Desarrollo Rural. Dirección General de
Apoyos para el Desarrollo Rural. México. 5
Elaboración de composta. Recuperado de
http://red.ilce.edu.mx/sitios/proyectos/recup_nu
estroamb_oto16/pdf/elaboracion_de_composta_
sagarpa.pdf
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Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 7-17
Construcción de modulo solar fotovoltaico de 60 watts utilizando materiales de
bajo costo para pruebas
VALDEZ-APARCIO, María Magdalena†, MORALES-DOMINGUEZ, Yuval*, HERNÁNDEZ-
DOMINGUEZ, Juan Daniel y HERNÁNDEZ-VELÁZQUEZ, Joel
Universidad Tecnológica de Xicotepec de Juárez
Instituto Tecnológico Superior de Huauchinango
Recibido 21 de Abril, 2017; Aceptado 9 de Mayo, 2017
Resumen Los paneles solares fotovoltaicos o sistemas fotovoltaicos se
componen de celdas que convierten la luz en electricidad.
Dichas celdas se aprovechan del efecto fotovoltaico, mediante
el cual la energía luminosa produce cargas positivas y negativas
en dos semiconductores próximos de distinto tipo, por lo que se
produce un campo eléctrico con la capacidad de generar
corriente.
Lo paneles solares al utilizar energía totalmente renovable e
inagotable se convierten en una de las alternativas de
generación de energía más sólidas del futuro.
En esta investigación trabajamos con alumnos de la
Universidad Tecnológica de Xicotepec de Juárez en la
construcción de paneles los cuales servirán para realizar
pruebas en un módulo ENRE-SYO, INNOVATECH para
realizar prácticas en la institución.
Gracias a esto los alumnos aprendieron principios básicos de
electricidad y electrónica a través de la práctica, al soldar 36
celdas fotovoltaicas con la configuración adecuada para su
funcionamiento, colocación de protección de aluminio y
realizar las mediciones finales para prueba de cada sistema
fotovoltaico.
Otro de los factores por la cual es factible la construcción es por
el bajo de este panel a comparación con los del mercado que
servirán para proyectos de investigación para sistemas
autónomos para nuestra región.
Sistemas fotovoltaicos, Efecto fotovoltaicos, Campo eléctrico
Abstract
Photovoltaic solar panels or photovoltaic systems are composed
of cells that convert light into electricity. These cells take
advantage of the photovoltaic effect, whereby light energy
produces positive and negative charges in two neighboring
semiconductors of different types, so that an electric field with
the capacity to generate current is produced.
Solar panels using fully renewable and inexhaustible energy
become one of the most solid energy generation alternatives of
the future.
In this research we work with students of the Technological
University of Xicotepec de Juárez in the construction of panels
which will be used to test in an ENRE-SYO module,
INNOVATECH to do internship in the institution.
Thanks to this, students learned basic principles of electricity
and electronics through the practice, by welding 36
photovoltaic cells with the proper configuration for their
operation, placing protection of aluminum and make the final
measurements for testing of each photovoltaic system.
Another factor for which the construction is feasible is because
of the low of this panel compared to the market that will be
used for research projects for autonomous systems for our
region.
Photovoltaic systems, Photovoltaic effect, Electric field
Citación: VALDEZ-APARCIO, María Magdalena, MORALES-DOMINGUEZ, Yuval, HERNÁNDEZ-DOMINGUEZ,
Juan Daniel y HERNÁNDEZ-VELÁZQUEZ, Joel. Construcción de modulo solar fotovoltaico de 60 watts utilizando
materiales de bajo costo para pruebas. Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017, 3-8: 7-17
*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
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Yuval, HERNANDEZ-DOMINGUEZ, Juan Daniel y HERNÁNDEZ-
VELÁZQUEZ, Joel. Construcción de modulo solar fotovoltaico de 60 watts utilizando materiales de bajo costo para pruebas. Revista de
Prototipos Tecnológicos. 2017
Introducción
Hoy en día la energía solar se aprovecha a
través de paneles solares fotovoltaicos (FV) y la
energía generada se almacena en baterías para
suministrar electricidad a equipos eléctricos.
Debido a que se obtiene de fuentes naturales
virtualmente inagotables se conoce como
energía renovable.
Esta energía solar fotovoltaica hoy en
día no se aprovecha en su totalidad ya que son
pocos los países que invierten en esta
tecnología, en México aún no existe la cultura
para la implementación de estos sistemas y
solo algunas empresas o universidades invierten
para el aprovechamiento de este recurso natural.
La Universidad Tecnológica de Xicotepec de
Juárez tiene la propuesta de generar
alternativas para la construcción de paneles
solares con un bajo costo para que los alumnos
potencialicen sus destrezas en manufactura y
así mismo aprovechar este producto para
diversos proyectos.
Un panel fotovoltaico es un dispositivo
que sirve para aprovechar la energía del sol,
captando los rayos que él emite y luego
transformándolos en energía que puedan utilizar
las personas, como calentar agua de un
domicilio o generar energía, en especial los
sistemas fotovoltaicos: estos se usan por lo
general para producir electricidad y se basan en
los principios fotovoltaicos, el cual produce la
excitación de electrones de una superficie
semiconductora.
1. Familia de las energías renovables
Se denomina energía renovable a la energía que
se obtiene de fuentes naturales virtualmente
inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de
energía que contienen, o porque son capaces de
regenerarse por medios naturales.
Entre las energías renovables se cuentan
la eólica, geotérmica, hidroeléctrica,
mareomotriz, etc. En la imagen de a
continuación se muestra la distribución de la
radiación.
Figura 1 Familia de las energías renovables
2. Conceptos básicos de la energía
fotovoltaica.
La energía fotovoltaica es el recurso natural
que, gracias a la aplicación de tecnología, puede
aprovecharse a nivel industrial. El término
también hace referencia a la capacidad de
transformar o poner en movimiento algo.
Fotovoltaico, por otra parte, es un
adjetivo que permite nombrar a lo perteneciente
o relativo a la generación de fuerza
electromotriz a partir de la luz.
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Figura 2 Fotovoltaica
Celda solar
Las celdas solares o fotovoltaicas son las
unidades estructurales de los paneles. Sirven
para captar y convertir la energía solar en
energía eléctrica utilizable en casas, oficinas,
calles, fábricas y más. Las celdas de los paneles
pueden estar fabricadas de diferentes
materiales.
Figura 3 Celda solar
Las celdas solares son pequeñas células
hechas de silicio cristalino y/o arseniuro de
galio, que son materiales semiconductores, esto
quiere decir que son materiales que pueden
comportarse como conductores de electricidad
o como aislante depende del estado en que se
encuentren.
Una célula fotoeléctrica, también
llamada celda, fotocélula o célula fotovoltaica,
es un dispositivo electrónico que permite
transformar la energía lumínica (fotones) en
energía eléctrica (flujo de electrones libres)
mediante el efecto fotoeléctrico, generando
energía solar fotovoltaica.
Modulo fotovoltaico
Un panel solar es un dispositivo para
aprovechar la energía solar. También se le
puede llamar módulo solar.
Se puede utilizar la denominación de
panel solar tanto para la energía solar
fotovoltaica como para la energía solar térmica.
De este modo, un panel solar comprende los
colectores solares y los paneles fotovoltaicos.
Figura 4 Modulo fotovoltaico
3. Historia de la energía fotovoltaica
El uso de la energía solar a sido utilizada desde
hace muchos años con diferentes objetivos
como: en la agricultura, hornos solares o para
generar vapor para maquinaria, calefacción,
entre muchos otros ejemplos.
Módulo fotovoltaico
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Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 7-17
ISSN: 2444-4995
ECORFAN® Todos los derechos reservados VALDEZ-APARCIO, María Magdalena, MORALES-DOMINGUEZ,
Yuval, HERNANDEZ-DOMINGUEZ, Juan Daniel y HERNÁNDEZ-
VELÁZQUEZ, Joel. Construcción de modulo solar fotovoltaico de 60 watts utilizando materiales de bajo costo para pruebas. Revista de
Prototipos Tecnológicos. 2017
Pero el científico francés Alexandre
Edmon Becquerel, experimentando con una pila
electrolítica sumergida en una sustancia de las
mismas propiedades, observo que después al
exponerla a la luz generaba más electricidad,
así fue que descubrió el "efecto fotovoltaico"
en 1839 que consiste en la conversión de la luz
del sol en energía eléctrica.
En 1885 el profesor W. Grylls Adams
experimento con el selenio (elemento
semiconductor) como reaccionaba con la luz y
descubrió que se generaba un flujo de
electricidad conocida como "fotoeléctrica".
Charles Fritts en 1893, fue quien
invento la primera célula solar, conformada de
láminas de revestimiento de selenio con una
fina capa de oro, estas células se utilizaron para
sensores de luz en la exposición de cámaras
fotográficas.
Albert Einstein investigo más a fondo
sobre el efecto fotoeléctrico y descubrió que al
iluminar con luz violeta (que es de alta
frecuencia) los fotones pueden arrancar los
electrones de un metal y producir corriente
eléctrica. Esta investigación le permitió ganar el
Premio Nobel de Física en 1921
El inventor estadounidense Russel Ohl,
creo patentó las primeras células solares de
silicio en 1946, pero Gerald Pearson de
Laboratorios Bells, por accidente,
experimentando en la electrónica creo una
célula fotovoltaica más eficiente con silicio,
gracias a esto Daryl Chaplin y Calvin Fuller
mejoraron estas células solares para un uso más
practico. Empezaron la primera producción de
paneles solares en 1954, que se utilizaron en su
mayoría en satélites espaciales. En los 70's el
primer uso general para el publico, de los
paneles solares fue con calculadoras que se
siguen utilizando actualmente.
4. Fabricación de celdas
El proceso de producción de celdas cristalinas
consiste en producción de obleas y fabricación
de celdas a partir de estas obleas.
Las obleas (láminas muy delgadas de
silicio cristalino) se cortan de un bloque sólido
de silicio. Se produce un silicio poli cristalino
enfriando un container de silicio derretido. El
cristalino-puro se produce sacando un lingote
del silicio derretido. También es posible hacer
crecer cristal directamente sobre una placa de
metal, eliminando así el proceso de corte (que
es el costoso).
Producir poli-cristalino es más barato
que el cristalino-puro y también materia prima
menos costosa puede utilizarse. Sin embargo la
eficiencia es un poco menor. Los costos del
silicio crudo son algo más caros y con la
demanda creciente de celdas FV y otros semi-
conductores los precios tienden más a subir que
a bajar.
Para bajar el precio de las celdas FV se
están utilizando nuevas técnicas de corte que
producen menos desperdicio al serruchar y que
pueden cortar láminas más delgadas. Otra
posibilidad es, por supuesto, crear los cristales
directamente sobre una superficie; las capas
pueden hacerse muy delgadas y no hay pérdidas
en el corte.
Las obleas son luego compuestas en
celdas en varios pasos. En estas etapas, entre
otras, las capas tipo n y p se producen (ver
siguiente sección en el principio de
funcionamiento de las celdas), se hacen
contactos con metales y se hace una
recubrimiento anti-reflexivo. Las celdas están
entonces listas para ser usadas e incorporadas
en los paneles FV o módulos.
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5. Clasificación de las celdas
Tradicionalmente estaban definidos tres tipos
de paneles dependiendo de forma de procesar el
Silicio: mono-cristalinos, poli-cristalinos y
amorfos. Hoy día nuevas tecnologías en la
producción de los paneles están revolucionando
la generación eléctrica fotovoltaica.
Celdas Esféricas: están compuestos por
pequeños corpúsculos de silicio como gotas de
silicio, consiste en una matriz de pequeñas
células solares esféricas capaces de absorber la
radiación solar con cualquier ángulo.
Celdas Mono cristalinas: se componen
de secciones de un único cristal de silicio
(reconocibles por su forma circular o
hexagonal).
Celdas Poli cristalinas: cuando están
formadas por pequeñas partículas cristalizadas.
Celdas Amorfas: cuando el silicio no se
ha cristalizado
Figura 5 Clasificación
Figura 6 Tipos de celdas solares
6. Factores a considerar en el
funcionamiento de una celda solar.
La energía solar depende mucho de la latitud en
que se instalen los paneles; ya que según esta
puede aprovecharse más o menos el potencial
de los rayos solares. La eficiencia de una
instalación dependerá de la orientación y la
inclinación del dispositivo hacia la luz solar.
Con una irradiación 1000 w/m2 y la
Temperatura de celda 25°c.
Tabla 1 Características de las celdas solares
7. Construcción de panel solar
Esta investigación para analiza fenómenos
involucrados en los procesos de generación de
electricidad por medio de la tecnología
fotovoltaica, la sensibilidad y conocimientos
para hacer un uso eficiente de la energía.
Para empezar la construcción del
módulo se mostrara la lista de materiales.
Temperatura de celda
25°c
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Material Cantidad
Celdas solares poli cristalinas 36 pza.
Bus bar 1.32m
Tabbing wire 2mm x .18mm pre
cortado
80 pza.
Pen flux (resina) 1 pza.
Vidrio transparente de 82x70 cm
de 3mm sin filo
1 pza.
Vidrio transparente de 82.5x70 cm
de 3mm sin filo
1 pza.
Marco de aluminio de 1” 1 pza.
Pens policarbonato silicón
transparente
1 pza.
Diodo rectificador 4 o 6 Amperes 1 pza.
Barra de conexiones 1 pza.
Caja de conexiones GP-16 1 pza.
Remaches 16 pza.
Esquineros 90° x 2” 4 pza.
Tabla de trabajo MDF 1/2 de
85x74 cm
1 pza.
Cable # 18 AWG color negro 10 cm
Cable # 18 AWG color rojo 10 cm
Soldadura de estaño 60/40 2 pza.
Pasta para soldar 1 pza.
Pistola calafateadora 1pza.
Remachadora 1 pza.
Tabla 2 Lista de materiales para la construcción
Fuente: Elaboración propia
Material Cantidad
Cúter 1 pza.
Cinta adhesiva mágica
transparente
1 pza.
Regla de 15 cm 1 pza.
Pinza de corte 1 pza.
Pinza de punta 1 pza.
Desarmador plano 1 pza.
Desarmador de cruz 1 pza.
Cautín 1 pza.
Soporte para cautín con base
sencilla
1 pza.
Lima triangular 1 pza.
Pistola de silicón 1 pza.
Tijeras 1 pza.
Barra de silicón 1 pza.
Tabla 3 Lista de herramientas para la construcción
Fuente: Elaboración propia
Configuración del módulo
Para realizar nuestro panel solar observaremos
la conexión más detallada con los paneles
construidos.
Primero necesitas saber cuánta energía
eléctrica produce cada celda solar para definir
la potencia en watts que generara el panel solar.
Por ejemplo, las celdas solares que se muestran,
generan 0.5 volts y 3.3 amperes cada una, esto
es, una potencia promedio de 1.65 watts. Por
tanto, si requieres construir un panel
fotovoltaico de 60 watts solo divide este
número entre 1.65 para saber cuántas celdas
fotovoltaicas necesitas:
60w / 1.65 w = 36 celdas solares.
Figura 7 Medición de celdas
Es importante comprender el concepto
de conexión en serie y conexión en paralelo
cuando unes celdas solares para crear un panel
solar. Las celdas solares están conectadas en
serie cuando sueldas los polos positivos de la
primera celda con los polos negativos de la
siguiente celda. Este tipo de conexión se usa
para sumar el voltaje de las celdas sin aumentar
el amperaje.
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Dos grupos de celdas solares están
conectadas en paralelo cuando los polos
positivos del primer grupo están conectados al
polo positivo del segundo grupo, sumando el
amperaje sin aumentar el voltaje.
Figura 8 Conexión
La parte azul frontal de la celda contiene
dos líneas verticales blancas que son los polos
negativos (bus bars) y la parte trasera de la
celda contiene 6 cuadros blancos que son los
polos positivos.
El color blanco de los polos es un
compuesto de plata el cual no debe ser raspado
ni removido. Las tiras metalizadas que se usan
para unir las celdas deben soldarse a los polos
negativos de la primera celda solar y a los 6
cuadros posteriores de la siguiente celda solar
(polos positivos) para crear una conexión en
serie. Así podremos construir tiras de 9 celdas
solares.
Cada grupo de 9 celdas solares podrá
conectarse nuevamente en serie con el siguiente
grupo hasta tener un total de 4 grupos de 9
celdas solares conectados todos en serie. Esto
es, 9 x 4 = 36 celdas solares en serie a 1.65
watts por celda = 60 watts totales por panel
solar.
Figura 9 Celda solar
Soldadura de celdas
Antes de comenzar a soldar coloca un poco de
resina y con un cautín, derrite una capa delgada
de soldadura en la parte trasera de las franjas de
celdas.
De la parte frontal el cableado para
paneles solares ya está previamente soldado.
Este tipo de cableado suele ser una mejor
opción, ya que hace que el tiempo se reduzca
por la mitad, solo calienta las celdas una vez y
no desperdicia tanta soldadura, pero es más
costoso.
Figura 10 Aplicación de resina
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Figura 11 Soldadura de Celdas
Colocación de las celdas soldadas en la base
Coloca un poco de cinta mágica en la parte
frontal de las celdas y luego colócalas en su
lugar en el vidrio posterior. El cableado debe
quedar de forma que se extienda a través de
cada fila en una sola línea recta. Ambos
extremos del cableado deben subir entre las
celdas y tener libertad de movimiento,
quedando solo los dos trozos sobresalientes
entre cada celda.
Recuerda que el cableado en una fila
debe ir en una dirección y en la dirección
opuesta en la fila adyacente. De esta forma, el
cableado para paneles solares deberá sobresalir
por un lado al final de una fila y por el lado
opuesto al final de la fila siguiente.
Debes planificar la disposición de las
celdas en filas largas de manera que haya una
menor cantidad de filas. Por ejemplo, puedes
crear cuatro filas de 9 celdas cada una
dispuestas lado a lado unidas por el lado más
largo.
Ten en cuenta que deben quedar 2 cm
adicionales en ambos extremos del tablero.
Figura 12 Colocación de Celdas en base de vidrio.
Procedimiento para medir Voc Isc de una
celda solar
Se presenta la propiedad intrínseca del silicio
sin importar su tamaño. Para probar el correcto
funcionamiento de una celda fotovoltaica es
necesario exponerla a la radiación solar y medir
su voltaje con un multímetro, conectando este a
las terminales de la celda sola.
Figura 13 Colocación de Celdas en base de vidrio
Marcos
Los marcos se cortan un centímetro más ya que
en esta parte se colocara el vidrio con las celdas
soladas.
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El marco es de aluminio Con esto se
asegura ganar mayor rigidez y durabilidad. Dos
aspectos muy importantes para la selección de
materiales del panel son la resistencia térmica y
resistencia a la humedad.
Figura 14 Corte de marcos
Encapsulado
En este caso se utilizara silicona para los
sellados a fin de que no entre humedad en el
panel. Es muy importante utilizar todos los de
silicona y antes de colocar el vidrio frontal. El
humo producido por el silicio puede dejar una
película en el interior en la reducción de la
ingesta de la luz del sol.
Fijar el con un montón de silicona en el
panel para mantener el agua fuera. La silicona
permanece flexible, por lo que se puede quitar
el cristal cuando sea necesario.
Diodos de bloqueo
Son válvulas electrónicas de dos
electrodos, por la cual la corriente pasa en un
solo sentido.
Figura 12 Corte de marcos
Cada panel necesita un diodo de
bloqueo en serie para mantener el panel de la
descarga de la batería cuando el sol no brilla. Se
usa masilla de silicona para asegurar estos
diodos en la parte posterior del panel junto a la
cajita de conexión entre el panel y el
controlador.
El vidrio en los paneles solares
Para cubrir los paneles solares es mucho mejor
usar el vidrio templado con bajo de hierro.
Tiene buenas cualidades de transmisión de luz
(91%), no se rompe fácilmente y es más
resistente a la abrasión que el plástico. Seis
veces más resistentes que un vidrio doble de
casa, por ello su costo también es mucho
mayor, pero desde el punto de vista de
inversión a largo plazo es ideal para nuestros
fines.
Colores y calidad de los cables
Como podemos apreciar en el gráfico arriba, el
sistema usa cables de dos colores. Los cables de
color rojo son los positivos y los de color negro
los negativos. Acuerdo internacional sin duda a
equivocase. Vale la pena enfatizar en cuanto a
las conexiones en las mismas celdas.
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La cara de color azul de la celda, la que
da al Sol, es la carga negativa mientras que la
carga positiva está en la parte posterior de la
celda, de color plomo.
Los tipos de cables difieren en el
material e instalación. Los dos materiales
comunes conductores de corriente eléctrica
utilizado en el cableado residencial y comercial
son el cobre y el aluminio.
El cobre tiene una conductividad mayor
que el aluminio, por lo que puede transportar
más corriente que el alambre de aluminio. El
aluminio es menos durable y más barato que los
de cobre y puede romperse o debilitarse durante
la instalación
Figura 12 Panel terminado
Resultados
Pruebas finales
Pruebas, puesta en marcha y resolución de
problemas, Testear todos los componentes
eléctricos y electrónicos de su sistema antes de
la puesta en marcha. Siga las instrucciones en
las guías suministradas con los componentes y
equipos.
El tamaño del cable: Corriente
admisible y caída de tensión está unificado en
términos de calibre de cable americano (AWG).
Se manejan tablas y gráficos versus longitud y
caída de voltaje a calcularse
Conectarlos al sistema.
Determinar Voc y Isc en las siguientes pruebas,
el módulo (s) debe ser expuesto al sol y no está
conectado a una carga. Tener en cuenta la
seguridad personal al hacer estas mediciones.
Revisar la tensión de circuito abierto
(Voc) de cada uno de los módulos de la serie
usando un multímetro digital (se recomienda
Fluke serie 170). El sistema de medida Voc
debe corresponder a la suma de los módulos
individuales. Encontrará la tensión nominal en
las especificaciones técnicas según tipo de
módulo utilizado y en las tablas al final de esta
guía de instalación. Si el valor medido es
significativamente más bajo que el valor
esperado, proceder como se describe en
"Solución de problemas de una tensión
excesivamente baja".
Revisar la corriente de cortocircuito
(Isc) de cada circuito en serie. Se puede medir
directamente mediante la conexión del
multímetro digital conectado en las dos
terminales del circuito en serie o del módulo.
En las pruebas que se realizaron a cada
celda solar genera .5 volts y 3.3. amperes, al
calcular la potencia tenemos como resultado de
1.65watts, para realizar las pruebas
necesitamos un panel de 60 watts el cual estará
conformado por 36 celdas solares.
El módulo genera 18 volts con la
condición de ser colocado con una orientación
hacia el sur y ángulo de inclinación de cero a
setenta grados.
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Prototipos Tecnológicos. 2017
Agradecimientos
Agradezco a la Universidad Tecnológica de
Xicotepec de Juárez por las facilidades
otorgadas para realizar este proyecto.
Al Centro de Capacitaciones Eléctricas
y Energías Alternas por los conocimientos
recibidos. (CCEEA)
Conclusiones
En la actualidad el abordar temas referentes a
cambios climáticos está en boca de todos y una
de las preocupaciones principales de los
gobiernos para tratar de controlar los cambios
que los mismos ecosistemas están tomando y
para contra restar las secuelas de los fenómenos
climatológicos están iniciando con la toma de
acciones a favor de nuestros ecosistemas.
Tener conocimiento sobre la energía
fotovoltaica hace que formes parte de la
tecnología actual.
En esta investigación trabajamos con
alumnos de la Universidad Tecnológica de
Xicotepec de Juárez en la construcción de
paneles los cuales servirán para realizar pruebas
en un módulo de la carrera y proyectos de
energías sustentables, para lugares alejados de
la red de distribución eléctrica, esta tecnología
es rentable de implementar como un sistema
autónomo.
Referencias
HANS Rau, ENERGIA SOLAR, aplicaciones
prácticas; marcombo BOIXAREU EDITORES
Barcelona – México, 1984
Castro Gil, Luis Dávila y A. Colmenar Santos,
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
CONECTADOS A RED. ESTÁNDARES Y
CONDICIONES TÉCNICAS M., 1ª edición.,
1ª imp. (2000).
Mertens,KonraD, Photovoltaik Lehrbuch zu
Grundlagen, Technologie Praxis., 2011
Publisher: Carl Hanser Verlag GmbH & Co.
KG
eISBN: 978-3-446-42904-8 .
J. Aguilar peris, j. m. Aguilar civera,
Diccionario de Energía Solar, Editorial
Alhambra.1983
18
Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 18-24
Diseño y construcción de generador de energía alternativa
SOLÍS-MELO, Juan Carlos†, ARRIAGA-PÉREZ, José Ángel, MANZANARES-REYES, Nereyda* y
VALENZUELA-VILLA, Javier
Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte
Recibido 27 de Abril, 2017; Aceptado 29 de Mayo, 2017
Resumen
El presente proyecto se realiza en la Universidad
Tecnológica de Tamaulipas Norte la cual se dedica a
formar profesionales tanto TSU como Ingenieros en sus
distintas carreras y especialidades, las cuales son:
Mantenimiento área industrial, área maquinaria pesada,
área refrigeración y área petróleo. Mecatrónica,
Tecnologías de la información y comunicación, Procesos
industriales y Administración. La institución está ubicada
en Av. Universidad Tecnológica 1555, Col. La
Escondida, CP. 88770 Reynosa, Tam. Bobina, Campo magnético, Energía alternativa
Abstract
This project is carried out at the Technological University
of Tamaulipas Norte which is dedicated to training
professionals both TSU and Engineers in their different
careers and specialties, which are: Industrial area
maintenance, heavy machinery area, refrigeration area
and oil area. Mechatronics, Information and
communication technologies, Industrial processes and
Administration. The institution is located at Av.
Universidad Tecnológica 1555, Col. La Escondida, CP.
88770 Reynosa, Tam. Coil, Magnetic field, Alternative energy
Citación: SOLÍS-MELO, Juan Carlos, ARRIAGA-PÉREZ, José Ángel, MANZANARES-REYES, Nereyda, y
VALENZUELA-VILLA, Javier. Diseño y construcción de generador de energía alternativa. Revista de Prototipos
Tecnológicos. 2017, 3-8: 18-24
*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Spain www.ecorfan.org/spain
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Javier. Diseño y construcción de generador de energía
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Introducción
Esta institución con el afán de mejorar el
aprendizaje y la calidad en la educación de los
alumnos cuenta con un cuerpo académico en la
carrera de mantenimiento integrado por los
mismos docentes de la universidad los cuales se
dedican a la investigación y desarrollo de
nuevos proyectos e instrumentos que
favorezcan la práctica entre los alumnos, sin
perder la visión de implementar nuevas
tecnologías para estar presentes en el campo de
la investigación y ser líderes en calidad de
educación a nivel superior. Por ello se trabaja
en el diseño y prototipo de un aerogenerador el
cual representa una fuente de energía limpia.
Se inicia con el trabajo de investigación
para el diseño del aerogenerador el cual se va a
construir con materiales sencillos de fácil
obtención, para que el alumno observe y
entienda paso a paso el diseño estructural y
funcionamiento de dicho generador. Además de
ofrecer una alternativa en el consumo de
energía en cualquier lugar donde se desee
utilizar, desde el hogar hasta la industria,
tomando en cuenta que este tipo de energía
representa un avance tecnológico ya que en
nuestro país aún no se ha aprovechado al
máximo el enorme potencial que se tiene para
generarla.
Objetivo
Construir un aerogenerador en la carrera de
mantenimiento de la UTTN con fines didácticos
para que el alumno observe y conozca los
beneficios de las energías limpias, además de
que aplique el conocimiento adquiridos por
medio de la práctica al utilizar este instrumento.
Descripción del método
En este proyecto se utilizó el método
descriptivo el cual ayudó a mostrar paso a paso
el desarrollo del prototipo y su funcionamiento,
que consiste en la construcción y puesta en
funcionamiento del aerogenerador tipo eje
horizontal, como alternativa para la posible
generación de energía eléctrica usando un tipo
de fuente renovable como lo es el viento, a fin
de alcanzar otros objetivos como apoyo en la
enseñanza de los estudiantes para que el
producto sea didáctico, mostrando cómo
funciona y las partes que lo componen, además
fue necesario establecer referencias en cuanto a
las condiciones meteorológicas de la zona,
como los vientos, su origen y disponibilidad
para la generación de energía eólica.
Este proyecto se realizó con el propósito
de apoyar a la enseñanza creando un prototipo
didáctico de un aerogenerador el cual
contribuye con energía limpia para alimentar
cargas no mayores a 500W, todo lo anterior
requiere una planeación.
El primer paso es realizar el cálculo del
tamaño y el número de bobinas que se
utilizaran para la potencia establecida.
El segundo paso para realizar el
aerogenerador es hacer los moldes tanto para
las bobinas como el estator, el cual está
conformado por nueve bobinas colocadas en
forma radial sobre un centro, embebidas en
epoxi, los moldes son fabricados en triplay de
1/2 pulgada.
En las hojas de triplay se procedió a
marcar la forma del molde que tendrá la bobina
y posteriormente se cortaron para dar inicio a
la fabricación de las bobinas. (Ver figura 1.)
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Figura 1 Se traza la forma del molde y se procede a
cortar
Cuando el molde está terminado se
hacen los barrenos pasados para colocar unos
pernos, los cuales tienen la función de ser la
guía para que el alambre de cobre se enrede y
forme la bobina, además se hace un barreno en
la parte del centro para que en este orificio entre
la flecha que se coloca en la máquina
embobinadora haciendo el trabajo más fácil
(Ver figura 2).
Figura 2 Se realizan los barrenos en el molde ya cortado
Con el molde está listo se le colocan los
pernos en forma trapezoidal de acuerdo al
diseño y medidas previamente tomadas y
calculadas en base al tamaño deseado de la
bobina y el calibre de cobre que se usara,
además se lijan todos los bordes para obtener
una forma más redonda y sin filos. (Ver figura
3).
Figura 3 Molde terminado con los pernos y el barreno
del centro
Al terminar el molde se realizan las
primeras pruebas para hacer las bobinas se
determina el número de vueltas y el tamaño,
ancho y altura ya que dependiendo el tamaño de
estas, será la guía para construir el segundo
molde. (Ver figura 4).
Figura 4 Realización de las bobinas
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Ahora se comienza con el molde para el
estator, se traza la forma de un círculo de 4
pulgadas de diámetro en el triplay de una
pulgada, posteriormente se corta con la caladora
dejando el espacio en la madera, a
continuación, se coloca una tapa en la parte de
abajo donde fue cortada la madera para retener
el epoxi y colocar las bobinas en forma circular
guiándose en el tamaño de las bobinas. (Ver
figura 5).
Figura 5 Molde para el estator
Con el molde listo, posteriormente se
divide el interior de la circunferencia que es
360° entre 9 que es el número de bobinas a
instalar, lo que nos da 40° que es el espacio que
le corresponde a cada una de ellas, a
continuación se colocan las bobinas en cada
uno de los espacios, se prepara la mezcla de
epoxy y se vierte en el molde, dejando secar por
5 horas para obtener el estator. (Ver figura 6)
Figura 6 Fabricación de estator con las bobinas en epoxy
El siguiente paso a seguir es buscar los
discos de frenos, dónde se instalarán los imanes
de neodimio, los cuales generan el campo
magnético, también se busca la maza de una
rueda delantera de un vehículo, en la cual gira
el rotor del generador eólico a través de una
conexión de tornillos junto al estator, estos
materiales se pueden encontrar en un negocio
de autopartes, pero se necesitan discos y maza
de un coche pequeño ya que el tamaño se guía
por medio del estator ya fabricado (Ver figura 7).
Figura 7 Disco y maza que serán utilizados para el
aerogenerador
Para que se pueda obtener el máximo
provecho de los discos y la maza se tiene que
rectificar a 3/16 de pulgada cada disco para
quitar peso, de igual manera, se va a utilizar
varilla roscada para unir el estator y rotor, se
procede a cortar la varilla a 7 pulgadas para
utilizarse como tornillo de unión, usando tuerca
y rondana de presión en ambos lados de cada
disco. (Ver figura 8).
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Javier. Diseño y construcción de generador de energía
alternativa. Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017
Figura 8 Disco rectificado y corte de varilla roscada
Para generar el campo magnético se
utilizaron imanes de neodimio circulares los
cuales se van a colocar en ambos discos de
forma doble, cada imán tiene 8600 Gauss
(unidad de campo magnético) de fuerza,
previamente se hizo el cálculo para distribuir
los imanes en el disco de acuerdo a la
alineación del estator, la unión de los imanes
con el disco se hará utilizando pegamento
epoxy. Se debe tener mucho cuidado al colocar
los imanes, debido a la gran fuerza de atracción
y repulsión que ejercen estos imanes. (Ver
figura 9).
Figura 9 Colocación de imanes en disco
Una vez colocados los imanes en el
disco, se procede a unirlos con la maza
mediante los espárragos que se hicieron con la
varilla roscada colocando una tuerca con su
rondana de presión a cada lado del esparrago
(Ver figura 10).
Figura 10 Unión de disco con maza mediante espárragos
Se continúa con la construcción del
chasis, el cual consta de una base en forma
rectangular, la cual se realizó con ángulo de 2
pulgadas de ancho y con uniones soldadas con
electrodos E-6011, que se utiliza de base para
sostener el generador. También se utiliza solera
de 1 pulgada, para sostener la maza con el
chasis por medio de tornillos (Ver figura 11).
Figura 11 Armado de chasis y montaje
23
Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 18-24
ISSN: 2444-4995
ECORFAN® Todos los derechos reservados SOLÍS-MELO, Juan Carlos, ARRIAGA-PÉREZ, José Ángel,
MANZANARES-REYES, Nereyda y VALENZUELA-VILLA,
Javier. Diseño y construcción de generador de energía
alternativa. Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017
Finalmente se realizan pruebas con las
bobinas y el rotor para obtener el resultado de
voltaje en función de la velocidad del rotor
conectado en paralelo y en serie
respectivamente, simulando con un torno
paralelo las condiciones de giro que otorga el
viento al generador y registrando los resultados
obtenidos para diferentes velocidades (Ver
figura 12).
Figura 12 Conexiones de bobina y pruebas en torno
Resultados
Los resultados del proyecto “Diseño y
construcción de generador de energía
alternativa”, se obtienen se obtienen a través de
una serie de pruebas comprobando los voltajes
que resultan de la conexión de la bobina en
serie o en paralelo, para obtener la máxima
eficiencia de las bobinas, se hizo una
simulación utilizando el torno para hacer girar
los discos a diferentes velocidades utilizando
una bobina.
Tomando una de las bobinas para hacer
girar los dicolocarla en medio de ambos y
formar el campo magnético se tomó lectura del
voltaje con un multímetro para observar el
resultado.
A continuación se presentan el
comportamiento de la bobina los datos se
graficaron para tener una visión más amplia de
la prueba realizada.
Gráfico 1 Relación volts-rpm de bobinas
Lo anterior fue favorable ya que los
resultados fueron positivos obteniendo más
voltaje del planeado ya que se utiliza calibre 19
doble para la construcción de las bobinas, se
espera que el alumno pueda experimentar y
observar el rendimiento y la diferencia de
voltajes dependiendo del tipo de conexión ya
sea delta o estrella.
El costo total del proyecto fue de
$4000.00, el beneficio obtenido de la
recuperación de la inversión no supera los 6
meses dependiendo de las condiciones
climáticas en este caso el viento, ya que no
tiene la misma intensidad sino que se presenta
una variante es por eso que la energía obtenida
del aerogenerador va a presentar una variación.
Por ello se tiene que hacer un estudio
previo del viento y sus variaciones, también es
importante verificar las distintas direcciones del
viento para orientar el aerogenerador
(sotavento o barlovento) son otras opciones.
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alternativa. Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017
Todo el trabajo físico al igual que la
investigación y documentación pertenece a la
universidad en dado caso que se requiera la
construcción de otro aerogenerador. Los
problemas presentados durante el desarrollo de
este proyecto no fueron impedimento para
llevarlo a cabo, ya que muchos de los
materiales no se consiguieron con facilidad e
incluso había que esperar para recibirlos como
lo es el alambre de cobre que solo se trabaja
sobre pedido.
Es importante mencionar que ahora en
adelante los alumnos van a conocer cómo
funciona un generador de este tipo
aprovechando al máximo su capacidad.
Permitiendo conocer los beneficios de la
energía limpia la cual es el futuro del país.
Para finalizar este proyecto deja una
gran satisfacción en los docentes ya que superó
las expectativas en cuanto a funcionabilidad,
resultados deseados y una gran experiencia que
permite desarrollar las capacidades de las
personas involucradas.
Conclusiones
Se determina que la elaboración del
aerogenerador fue exitosa e incluso arrojando
resultados más favorables a los esperados ya
que cada bobina conectada en serie da mayor
voltaje al esperado.
Fue factible utilizar disco y la maza de
un coche pequeño para colocar los imanes de
neodimio además de utilizar varilla roscada con
tuerca de seguridad para unirlos.
La prueba realizada para observar y
medir el voltaje de la bobina con ayuda del
torno muestra que el diseño es correcto viable y
competente.
De igual forma el cada uno de los
materiales utilizados en la construcción y
diseño del aerogenerador alcanzo el resultado
deseado junto con los cálculos que se hicieron
previamente sobre que calibre de cobre se
utilizaría el número de vueltas necesaria, la
cantidad de hilos ya sea sencillo o doble, el
molde para embobinar la resina para fijar y algo
más importante las conexiones que al final se
van a hacer ya que las nueve bobinas formaran
el estator.
El segundo molde presento dificultad ya
que las bobinas tenían un tamaño un poco
mayor al calculado y hubo que desbastar un
poco el molde sin mayores problemas,
quedando listo para el proceso de embebido de
las bobinas en el epoxi.
Finalmente se documenta con evidencia
fotográfica y escrita cada uno de los pasos que
se siguieron para que dicho proyecto se pueda
reproducir en cualquier momento ya sea por
profesionales o estudiantes.
Referencias
Piggott, Hugh. “A wind turbine recipe book”.
2014
V3 Power Ltd. Company, Renewable Energy
projects for Universities
.
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Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 25-30
Prototipo de control de transferencia eléctrica
HERNÁNDEZ-BAÑUELOS, Pedro*†
Universidad Tecnológica de Cd Juárez
Recibido 3 de Mayo, 2017; Aceptado 1 de Junio, 2017
Resumen
En este proyecto se implementa un prototipo de control
de conmutación eléctrica de diferentes fuentes de
alimentación eléctrica, las cuales brindan la seguridad de
que una carga eléctrica este energizada, mientras alguna
de las alimentaciones eléctricas este presente. La
alimentación de respaldo y principal pueden ser de red
eléctrica, de un generador de combustible y/o de energías
renovables, según se tenga la disponibilidad de alguna
una de estas clases de alimentaciones eléctricas. Para
implementar el prototipo, se utilizó la plataforma
electrónica Arduino que es un placa para realizar
proyectos de control, y se utilizó el software labview, que
muestra en un panel de control la situación actual del
proyecto, lo cual hace más visible las gráficas de las
salidas y entradas. Es importante mencionar que el
Arduino es capaz de simular el comportamiento de
sistemas eléctricos, por ello resulto una herramienta de
control bastante eficaz y simple de utilizar. También
resulta importante mencionar que este proyecto funciona
como un buen antecedente para poder realizar
investigaciones futuras en el área de control y generación
de un control que mantenga de manera permanente
energizada una carga eléctrica.
Finalmente, el control de conmutación eléctrica por
medio del Arduino, resulto una buena opción de diseño,
ya que cumplió con el objetivo propuesto, obteniendo un
control de bajo costo, fácil diseño y confiable.
Labview, Placa Arduino, Conmutación eléctrica
Abstract
In this project, a prototype of electric switching control of
different power sources is implemented, which provides
the assurance that an electrical load is energized, while
some of the electrical supplies are present. The back-up
and main power can be from an electrical network, from
a fuel generator and / or from renewable energies,
depending on whether there is availability of one of these
types of electrical feeds. To implement the prototype, we
used the Arduino electronic platform, which is a board to
carry out control projects, and we used the labview
software, which shows in a control panel the current
status of the project, which makes the graphs of the
projects more visible. exits and entrances. It is important
to mention that the Arduino is capable of simulating the
behavior of electrical systems, which is why it is a very
efficient and simple to use control tool. It is also
important to mention that this project works as a good
antecedent to be able to carry out future research in the
area of control and generation of a control that
permanently maintains an electric charge.
Finally, the control of electrical switching through the
Arduino, turned out to be a good design option, since it
fulfilled the proposed objective, obtaining a control of
low cost, easy design and reliable.
Labview, Arduino Board, Electric Switching
Citación: HERNÁNDEZ-BAÑUELOS, Pedro. Prototipo de control de transferencia eléctrica. Revista de Prototipos
Tecnológicos. 2017, 3-8: 25-30
*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Spain www.ecorfan.org/spain
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Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 25-30
ISSN: 2444-4995
ECORFAN® Todos los derechos reservados HERNÁNDEZ-BAÑUELOS, Pedro. Prototipo de control
de transferencia eléctrica. Revista de Prototipos
Tecnológicos. 2017
Objetivo
Diseñar e implementar un prototipo de
control que conmute diferentes fuentes de
energía eléctrica y con ello se mantenga de
manera permanente la alimentación a la carga
utilizando un Arduino como tarjeta de
adquisición de datos, conectado a un interface
con el software de Ingeniería Labview.
Introducción
El control automático moderno surgió hace
varias décadas debido en gran parte a la
necesidad de la industria mundial de hacer más
eficientes los distintos procesos de producción
[1].
Al incrementar la complejidad de los
sistemas en la industria, también aumento la
cantidad de variables físicas a controlar y
vigilar. El control automático viene entonces a
compensar la incapacidad del ser humano para
realizar ciertas actividades, puesto que su
sensibilidad y respuesta a estímulos es muy
limitada en comparación a una máquina [2].
Sin embargo, aún con muchos años de
existir, el control automático todavía pasa por
una etapa de desarrollo e innovación. Existe en
la industria, mucho interés en invertir en
investigación y perfeccionamiento de métodos
de control cada vez más avanzados y prácticos
(principalmente en los países desarrollados).
Otro motivo de la implementación de
controles automáticos es la demanda de mayor
productividad, que aunado a los recortes de
presupuesto y reducción de las plazas de trabajo
resultan importantes para las grandes
compañías que quieren mantenerse vigentes en
el competitivo mercado [3].
Por otra parte son innumerables los
casos en que por fallas en la provisión de
energía eléctrica se puede producir accidentes.
Hoy en día, no solo existen sistemas
electromecánicos industriales o domiciliarios
accionados por corriente eléctrica, sino también
una gama de equipamiento hospitalario que no
puede quedarse sin energía. Esto llevo a la
implementación de los denominados sistemas
auxiliares de abastecimiento de energía que son
manejados por un control de conmutación que
nos asegura un suministro constante de energía.
El tablero de transferencia es un sistema
de control automatizado diseñado que opera en
forma continua para alimentar las cargas
conectados a la unidad básica de transferencia
ya sea por el lado de respaldo con la planta
eléctrica de emergencia o por energías
renovables también de respaldo.
Por otro lado el PLC (Controlador
Lógico Programable) es utilizado también para
crear controles de conmutación eléctrica. Para
este proyecto se utilizó el microcontrolador por
su flexibilidad y versatilidad, un ejemplo de
ello es en la utilización como cerebro de una
gran variedad de sistemas de automatización en
la industria domótica, y en dispositivos de la
vida diaria como vehículos. Para la
implementación, se decidió utilizar hardware y
software libres, por lo que se utilizó la
plataforma electrónica Arduino que cumple con
esos requisitos. También cabe mencionar que
este control es de lazo abierto.
La aparición de la primera generación
de computadoras en los años 40´s y 50´s
generó una revolución en la velocidad de
solución de los problemas matemáticos y los
automatismos auxiliados por estas máquinas.
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de transferencia eléctrica. Revista de Prototipos
Tecnológicos. 2017
Con el desarrollo actual de la
informática y la aparición de cada vez más
poderosos microprocesadores, se ha logrado
desarrollar complejos sistemas de monitoreo,
control, y automatización computarizados, estos
sistemas reciben el nombre de instrumentos
virtuales, ya que aprovechan la potencia de
cálculo, productividad y capacidad de conexión
de las computadoras, atreves de las cuales se
realizara la simulación e implementación del
control [4]. Un ejemplo de ello es el software
de ingeniería labview que es bastante amigable
y tiene la virtud de ser muy visual y vistoso
además de fácil de entender. Este software es
compatible con la placa Arduino por lo cual es
una combinación que se utiliza para controlar
el prototipo y mostrarlo de una manera
entendible. Otra cosa importante de mencionar
es que las alimentaciones además de la red
eléctrica pueden ser: Sistema fotovoltaico que
inclusive ya se utilizan en la red pública, esto
es importante porque es una alternativa viable
para el consumo de electricidad. Los paneles
solares son generadores de potencia que puede
y debiera ser utilizada para respaldo del
suministro de energía eléctrica
La necesidad de utilizar energías de
fuentes renovables radica en que la energía es
una de las problemáticas que definirán el
destino de México y el mundo. Las fuentes
primarias de energía que dominan en el mundo
son los hidrocarburos. [5].
El potencial solar que tiene la Tierra es
enorme, se recibe una gran cantidad de energía
procedente del Sol que en lugares favorables
puede llegar a ser del orden de 2000 kW/m2
anuales; el 2% de ella se transforma en energía
eólica capaz de proporcionar una potencia del
orden de 1017 kW [6]
Metodología
Resultados
Desarrollo del concepto.
Para este prototipo se tienen tres alimentaciones
que deben servir de respaldo y principal según
sea el caso, las cuales deben se conmutadas
según las necesidades de la salida. Se eligió la
placa Arduino como controlador por ser un
dispositivo de bajo costo y fácil programación,
también para este prototipo se utilizó voltajes
que fueran de seguridad pero que a su vez
fueran capaces de controlar señales de potencia.
La placa Arduino utiliza 5 volts de
corriente directa, para las acciones de control.
Este voltaje es bastante accesible y seguro por
lo cual los dispositivos a manejar en su salida
son de 5 volts de corriente directa. Para la
simulación del voltaje proporcionado por una
fuente renovable se optó, por una pila de 9
voltaje directo al cual se conectó en su salida
un regulador de voltaje de 5 volts de salida,
además de acondicionar otras señales para tener
otras Fuentes de voltaje.
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Estas Fuentes de energía son
controladas por el Arduino en base a señales e
digitales.
Desarrollo del prototipo
Diseño del circuito de acondicionamiento de
señales de voltaje
El diseño de la planta, para de modelar las tres
Fuentes de energía mencionadas, tenía que ser
una muy cercana a la realidad, confiable y
segura por lo cual se optó por el uso de la
electrónica de potencia (optoacopladores, triac,
etc) para aislar el control de la potencia, para
el control se utilizaron Fuentes de poder de 5
volts de corriente directa como ya fue
mencionado.
Fue necesario construir 2 fuentes de
poder que mantuvieran 5 VCD (voltaje de
corriente directa), para la alimentación de
Arduino y la conmutación de los opto
acopladores.
Se realizaron pruebas buscando los
materiales apropiados que cumplieran con el
objetivo de diseñar el prototipo.
Estos deberían ser capaces de brindar
seguridad y confiabilidad al proyecto, la
seguridad es de vital importancia porque la
placa Arduino mega trabaja en sus entradas y
salidas con 5 volts de corriente directa.
Cualquier incremento en el voltaje o entrada de
voltaje de otro sistema, como el voltaje alterno,
causa serios percances en el controlador, que
pueden incluso quemarlo. Así que la mejor
opción son lo optoacopladores porque aíslan
completamente a la placa Arduino del sistema
a controlar. El optoacoplador es el 4N28, el
cual cuenta con un foto diodo que le envía una
señal a un foto transistor, el cual cierra circuitos
aislados del control, y aísla cualquier entrada de
potencia que venga del exterior. Como
indicador se coloco un led por entrada y uno
para salida para tener monitoreado nuestro
sistema. Se utilizaron dos resistencias para
protección tanto del led indicador como del led
del optoacoplador. Del lado de led del
optoacoplador se conecta a positivo de las
fuentes y también a cada entrada del Arduino
mega previamente programado.
En el siguiente esquema se muestra el
diagrama de los componentes y como es
conectado a la placa Arduino.
Led indicador
de salida El pin 0 y 1 se utilizan
para comunicación
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de transferencia eléctrica. Revista de Prototipos
Tecnológicos. 2017
Programación de arduino con Labview
Como se observa en la ilustración el programa
se toma como variables de entrada, tres puntos
de conexión digitales de arduino los cuales son
el 2,3,4, así mismo se toma el punto 5.
También digital como salida, de esta manera
cuando este activada una de las entradas, la
salida estará activada.
Este programa es básicamente un OR,
en español un O lo cual quiere decir una
conjunción mientras tenga un 1 o encendido en
la entrada, tendré un 1 en la salida.
Implementación del prototipo
En las figuras siguientes se muestra la
conexión del prototipo con la interface de
labview a la computadora, además se puede
observa cómo, teniendo una entrada energizada
tenemos la salida también energizada y en
consecuencia tenemos constante un voltaje. Por
otro lado también se muestra una caída de
tensión marcada en el multímetro esto es
causado por la resistencia de los cables
conductores utilizados que es de 11.55ῼ y el
amperaje que entrega el Arduino que son 40mA
Usando la ley de omhs V= R x A (Voltaje
=Resistencia por Amperaje).
11.55ῼ x .40A = 4.62v.
Cabe destacar que esta caída de tensión
no afecta el desempeño control, puesto que es
de .38v, no tiene gran significancia, ya que
manera dispositivos electrónicos de control, y
no la fuerza que esa si necesita más potencia
eléctrica.
Validación del proyecto
Validar la simulación estadísticamente
Para la validación estadística Se recolectan
datos de pruebas de las muestras antes
expuestas en las figuras de cada una de las
entradas al encender la salida. Este dato
significativo es el voltaje medido por el
multímetro. Aquí se puede ver que la mayoría
de los datos contienen el dato de voltaje de
4.62v. También es importante estipular que
cuando aparecen ceros en la tabla fue debido a
falsos contactos en el sistema y que fueron
corregidos y después de estas correcciones en el
prototipo, se mantiene constante el voltaje y en
una media.
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de transferencia eléctrica. Revista de Prototipos
Tecnológicos. 2017
Conclusiones y Recomendaciones
Este proyecto, logro adentrarse en el
conocimiento experimental del control, para lo
cual fue necesario aprender acerca de la tarjeta
Arduino, y su múltiple uso en el control así
como el uso del software labview, que al ser
muy amigable y grafico es capaz de mostrar
datos y señales que son entendibles fácilmente.
Con los resultados obtenidos de la
recolección de datos se validó el
funcionamiento del prototipo. El cual no pudo
ser comparado para validar contra otro equipo
igual porque no se encontró datos estadísticos
que contribuyeran a realizar una comparación
con el prototipo del este proyecto.
Este control debido a su versatilidad
puede controlar diferentes voltajes, necesarios
para el funcionamiento de equipos diversos,
tanto en corriente alterna como en directa.
Se observó que la utilización del
Arduino como un sistema de adquisición de
datos es una buena opción, en interface con el
software Labview, para proyectos de control.
Las recomendaciones son:
Probar el control con señales analógicas, ya que
este prototipo de control realizado en este
proyecto funciona con señales digitales,
después convendría comparar las señales para
buscar tener otra perspectiva.
Incluir tiempos entra las caídas de
tensión de las fuentes y mostrarlo, es decir que
dé tiempo a recuperarse a la fuente de
alimentación si es una falla momentánea o dejar
entrar la fuente de alimentación de respaldo.
Todo mostrado gráficamente en labview.
31
Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 31-38
Metodología de diseño iterativo para desarrollar un sistema de trasmisión
epicicloidal para aerogeneradores
HERNÁNDEZ-ALVARADO, Margarita*†, PASTRANA-PALMA, Alberto de Jesús, RODRÍGUEZ-
SALAZAR, Adela Eugenia y TALAVERA-RUZ, Marianela
Universidad Autónoma de Querétaro
Instituto Politécnico Nacional
Recibido 3 de Mayo, 2017; Aceptado 1 de Junio, 2017
Resumen
A nivel mundial, existe una transición hacia la
generación eléctrica por medio del uso de energías
renovables, mayormente solar y eólica. De ahí, que los
generadores eólicos, especialmente los de menor tamaño,
que puedan ser utilizados en las ciudades, representan
una alternativa. No obstante, la mayoría de ellos eliminan
su sistema multiplicador, y con ello, reducen velocidad y
potencia, para asegurar sus dimensiones compactas. Este
artículo muestra el proceso iterativo para el diseño y
desarrollo de un sistema de transmisión epicicloidal para
la multiplicación de un par motor por medio de la
generación de una caja multiplicadora de revoluciones
con engranes paralelos y planetarios; mismo que fue
validado y optimizado por medio de análisis de elemento
finito y su fabricación por adición en 3D, para minimizar
la pérdida de torque y reducir dimensiones del sistema
propuesto con potencia nominal aproximada de 25 kw/h,
con el fin de eficientizar la transformación de energía
cinética en eléctrica.
Diseño, iterar, microgenerador, epicicliodal,
transmisión
Abstract
There is a global transition towards a wider use of
renewable energies, mostly solar and wind. Following
this new tendencie, small wind generator which can be
used in cities, represent a valuable alternative. However,
most of them avoid the use of a multiplying system,
reducing speed and power, in order to fit in compact
dimensions. This paper shows the iterative process for
the design and development of an epicyclic transmission
system for the multiplication of a motor torque using a
gearbox to multiply the revolutions with parallel and
planetary gears; which was validated and optimized using
a finite element analysis and manufactured using 3D
addition, to minimize the loss of torque and reduce
dimensions of the proposed system with nominal power
of approximately 25 kw / h, to make possible an efficient
kinetic energy transformation.
Design, iterate, microgenerator, epicicliodal,
transmission
Citación: HERNÁNDEZ-ALVARADO, Margarita, PASTRANA-PALMA, Alberto de Jesús, RODRÍGUEZ-SALAZAR,
Adela Eugenia y TALAVERA-RUZ, Marianela. Metodología de diseño iterativo para desarrollar un sistema de trasmisión
epicicloidal para aerogeneradores. Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017, 3-8: 31-38
*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Spain www.ecorfan.org/spain
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Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 31-38
ISSN: 2444-4995
ECORFAN® Todos los derechos reservados HERNÁNDEZ-ALVARADO, Margarita, PASTRANA-PALMA,
Alberto de Jesús, RODRÍGUEZ-SALAZAR, Adela Eugenia y
TALAVERA-RUZ, Marianela. Metodología de diseño iterativo para desarrollar un sistema de trasmisión epicicloidal para aerogeneradores.
Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017
Introducción
A nivel mundial, la demanda en el sector
energético ha generado la necesidad de generar
energía limpia; por lo tanto, se han desarrollado
estrategias que aumenten el uso de energías
renovables. Su uso está asociado a ventajas
importantes como mitigación de emisión de
gases de efecto invernadero, desmantelamiento
sencillo y se fuentes inagotable.
No obstante, tienen impactos visuales
elevados, dificultad de garantizar su suministro,
necesidad de grandes superficies de terreno y
sus costos de generación aún resultan elevados
en comparación con otras fuentes de energía
más tradicionales (Grupo Intergubernamental
de Expertos sobre el Cambio Climático, 2011).
La energía eólica es una de las más
redituables y de fácil acceso; asimismo permite
el diseño y desarrollo de tecnologías y
productos propios. Tal es el caso de los
aerogeneradores o turbinas eólicas que
convierten la energía cinética del viento en
energía potencial por medio de un eje giratorio.
Su sistema mecánico de transmisión o tren de
potencia se constituye por un rotor eólico y un
generador eléctrico que transmite un par
mecánico al eje de giro; sin embargo, en la
mayoría de los diseños, la velocidad de giro que
requiere el rotor no corresponde con la
velocidad de giro del generador. Por lo que, se
debe incluir una caja multiplicadora que
permita la relación de transformación entre la
velocidad de giro rápido y el eje de giro lento
(González- Longatt, 2007).
Los aerogeneradores se clasifican con
base en la cantidad de energía que producen y
el tamaño de sus rotores; los grandes producen
hasta 5 MW de energía con rotores de hasta 100
metros de diámetro y trabajan con una fuente de
potencia con sistemas robustos de control,
diseños, materiales y componentes que resisten
la fatiga.
Mientras que, los pequeños generadores
eólicos presentan numerosos problemas; ya
que, por mantener sus dimensiones sacrifican el
sistema multiplicador para elevar la velocidad
de revoluciones, a pesar de tener un torque
adecuado (Morales, 2008; Muñoz, 2008).
El sistema multiplicador es el
responsable de incrementar la velocidad de giro
del eje de baja velocidad para lograr la
velocidad de giro nominal del motor en el eje
de alta por medio de etapas en la serie de
engranajes; es decir, modifican las bajas
revoluciones por minuto que transmite el buje
en altas revoluciones por minuto que son las
que necesita el generador para poder producir
energía. Por lo tanto, en su etapa de entrada
suele tener de10 a 25 RPM y en la etapa de
salida de 1200 a 1800 RPM. Estos sistemas
están integrados por engranes: paralelos con
relaciones de transmisión de hasta 1:5 por
etapas y ejes planetarios con etapas de hasta
1:12, utilizados en generadores mayores que
1Mw (Manwell, 2002).
Actualmente, las cajas multiplicadoras
se diseñan ex profeso para cada turbina e
incluyen apoyos en el eje de baja velocidad,
peso liviano y facilidad de ensamble con los
demás componentes del tren de potencia.
Además, con el fin de mejorar su desempeño es
necesario conocer el valor de las velocidades y
el espectro de carga que transmitirán sus ejes en
condiciones nominales, requerimientos
mecánicos y de esfuerzos de cada uno de los
componentes. (Vera García, 2010). Asimismo,
se realiza se busca disminuir los defectos y
fallas en su funcionamiento; no obstante
dependiendo del tamaño, función y etapas de
los mismos, se seleccionan engranajes de
árboles paralelos o engranajes planetarios.
33
Artículo Revista de Prototipos Tecnológicos Junio 2017 Vol.3 No.8 31-38
ISSN: 2444-4995
ECORFAN® Todos los derechos reservados HERNÁNDEZ-ALVARADO, Margarita, PASTRANA-PALMA,
Alberto de Jesús, RODRÍGUEZ-SALAZAR, Adela Eugenia y
TALAVERA-RUZ, Marianela. Metodología de diseño iterativo para desarrollar un sistema de trasmisión epicicloidal para aerogeneradores.
Revista de Prototipos Tecnológicos. 2017
Los de árboles paralelos o simples, cada
par está formado por dos ejes, una corona y un
piñón; mientras que los planetarios o
epicicloidales tiene una mejor relación de
transmisión por su configuración compacta que
reduce la masa total de la caja de cambios,
soporta mayores cargas de torque, el coeficiente
de recubrimiento es mayor y su configuración
geométrica es mejor (Moya Rodríguez, et al.,
2012; Rodríguez, et al., 2003).
Sin embargo, no es sencillo predecir el
funcionamiento de las cajas planetarias de
transmisión; por lo que se desarrollan modelos
para simular su movimiento y evaluarlo
mediante modelos computacionales. Tal es el
caso, de Zhouy y Yuan (2016), que proponen
un método para modelar las características del
vibroimpacto de un sistema de transmisión de
engranajes planetarios en condiciones de alta y
baja velocidad. Por su parte, Yang y Jiang
(2016) dan a conocer un modelo multicuerpo
rígidos mejorado, para en análisis dinámico de
una caja de engranajes planetarios para una
turbina eólica, utilizando una malla de rigidez
variable en el tiempo.
Los aerogeneradores son cada vez más
modernos, eficientes y capaces de producir
mayor cantidad de energía; asimismo tienen la
posibilidad de ser utilizadas a pequeña y gran
escala, a nivel doméstico e industrial. Con base
en ello, se desarrolló un sistema de transmisión
epicicloidal para la multiplicación de un par
motor por medio de la generación de una caja
multiplicadora de revoluciones con engranes
paralelos y planetarios por medio de una
metodología de diseño iterativo. Mismo que fue
validado y optimizado por medio de su
construcción y análisis de elemento finito para
minimizar la pérdida de torque y reducir el peso
y dimensiones del sistema propuesto con
potencia nominal aproximada de 25 kw/h, con
el fin de eficientizar la transformación de
energía cinética en eléctrica.
Metodología
La innovación es un proceso continuo e
iterativo, que garantiza la permanencia de las
empresas en el mercado y promueve sus
ventajas competitivas por medio del diseño,
producción y comercialización de productos y/o
servicios que pueden ser tangibles o
intangibles. Por lo que, se utilizó una
metodología adecuada para la generación de
proyectos enfocados a la innovación
tecnológica, con base en la hibridación del
Design Thinking de Tim Brown (metodología
que determina soluciones basadas en el diseño y
centradas en el usuario), y Customer
Development de Steve Blank (metodología que
valida el modelo de negocio) (Hernández
Alvarado, et al., 2016). Misma que se divide en
cuatro etapas fundamentales, y ocho sub-
etapas; cuyo nombre se refiere al objetivo
general en cada una de ellas (Figura 1).
Figura 1 Metodología del proyecto
Comprender • Investigar
• Entender
Analizar • Sintetizar
• Definir
Conceptualizar • Idear
• Prototipar
Validar
• Testear
• Implementar
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Etapa 1: Comprender
Esta etapa tiene como objetivo conocer y
comprender la situación real del objeto de
estudio y se divide en: investigar (se realiza una
búsqueda de información con el fin de
identificar factores claves relacionados y una
vigilancia tecnológica por medio de un mapeo
tecnológico) y entender (profundiza en el objeto
de estudio para poder resolverlo eficientemente;
se define usuario o cliente de la solución).
Etapa 2: Analizar
Esta etapa tiene como objetivo realizar un
estudio minucioso de la información recabada
para estudiar la situación; se divide en:
sintetizar (la información recabada se clasifica
y simplifica) y definir (define las estrategias,
requerimientos y tipo de intervención que se
realizará con el fin de innovar).
Etapa 3: Conceptualizar
La tercera etapa tiene como objetivo generar y
probar ideas y conceptos, a partir de la
experiencia e información recabada por medio
de representaciones físicas rápidas. Se divide en
idear (generación de ideas creativas para
solucionar el problema) y prototipar (desarrollo
de la mayor cantidad de mock ups, modelos y
prototipos de las ideas, considerando
usabilidad, factibilidad y viabilidad de cada una
de las opciones).
Etapa 4: Validar
La última etapa permite seleccionar la mejor
alternativa de solución por medio de la reacción
del cliente.
Se divide en dos etapas: testear (con los
diferentes prototipos construidos se evalúa
funcionamiento, desempeño y relación con el
cliente) e implementar (se desarrolla un plan de
acción con el producto que resuelva
satisfactoriamente todas las necesidades y
expectativas del cliente y usuario, con el fin de
comercializar adecuadamente el proyecto).
Resultados
Con base en la metodología propuesta se
desarrollaron todas las etapas mencionadas para
diseñar y desarrollar un sistema de transmisión
epicicloidal para la multiplicación de un par
motor por medio de la generación de una caja
multiplicadora de revoluciones con engranes
paralelos y planetarios.
Etapa 1: Comprender
En la primera etapa se revisó el estado del arte
de los aerogeneradores, encontrando que la
mayoría de los desarrollos actuales de turbinas
eólicas se enfocan en la generación de gran
escala, más de 1 MW con un diámetro de rotor
mayor a 46 metros. Estos aparatos trabajan con
una fuente de potencia que cambia con las
ráfagas, por lo que se deben contar con robustos
sistemas de control y con diseños, materiales y
componentes que resistan la fatiga.
1.1 Investigar: Se realizó una recopilación
sobre la problemática que se presenta en los
pequeños generadores eólicos; que incluye la
eliminación del sistema de transmisión para
elevar la velocidad de revoluciones, a pesar de
tener un torque adecuado. Por lo que, se trata de
mejorar las cajas multiplicadoras por medio de
un diseño iterativo para disminuir los defectos y
fallas en su funcionamiento (Rodríguez, et al.,
2003).
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1.2 Entender: Se investigaron numerosas cajas
multiplicadoras, pero cada una debe ser
diseñada con base en velocidades específicas,
pares transmitidos por ejes, variaciones de par
tanto en condiciones nominales. De ahí, la
importancia de considerar el espectro de carga
que determina la magnitud y fase de las
pulsaciones de par durante la vida útil de la caja
(González- Longatt, 2007).
Etapa 2: Analizar
En esta etapa se realizó un estudio minucioso
de la información recabada con el fin de
estudiar la situación:
2.1 Sintetizar: Después del estudio realizado, se
determinó que el ciclo mínimo de vida de las
turbinas eólicas, para que sean económicamente
viables es de 20 años; sin embargo, fallan con
frecuencia luego de 5 años de funcionamiento
debido al desgaste de sus cajas de transmisión
de par motor.
Además, se establecieron los análisis de
tensión y compresión que debían de realizarse
al modelo resultante; ya que, la falla en las
cajas de transmisión no sólo muestra una
relación con su diseño y manufactura, sino con
el desgaste de las piezas sometidas a estrés.
2.2 Definir: Se seleccionó el tipo de engranajes
necesarios para la caja multiplicadora,
específicamente los de tipo planetario o
epicicloidal, por su mejor relación de
transmisión, configuración compacta que
reduce la masa de la caja, soportan mayores
cargas de torque, el coeficiente de
recubrimiento es mayor.
Etapa 3: Conceptualizar
En esta etapa se propusieron prototipos de cajas
multiplicadoras que simularán el
funcionamiento del sistema de transmisión y
poder evaluarlo mediante modelos
computacionales mediante un análisis dinámico
utilizando una malla de rigidez variable en el
tiempo.
3.1 Idear: Se utilizó el Quality Function
Deployment (QFD), para coadyuvar los
requisitos del usuario con los requerimientos
técnicos encaminados hacia un concepto
definido de innovación, se definieron los
principales requerimientos con los que debería
de contar el producto a nivel funcional,
estructural, formal, de uso, y se desarrolló
bocetaje conceptual para generar la mejor
alterativa de solución. Posteriormente se
diseñaron estas propuestas en programas CAD,
incluyendo cada uno de los componentes, se
renderizo y se realizaron las respectivas
simulaciones para verificar el acoplamiento y
funcionamiento del sistema de transmisión
(figura 2).
Figura 2 Modelo CAD del primer prototipo del sistema
de transmisión epicicloidal
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3.2 Prototipar: Una vez que se tuvo la mejor
propuesta de solución funcional con las
correcciones necesarias, se hicieron
comparaciones para elegir el método y material
adecuado para la impresión del prototipo en una
impresora 3D n2 plus; determinando que la
impresión debía realizarse con un filamento
Colorfab Premium PLA de 1.75 mm de grosor
y se compraron los rodamientos comerciales
necesarios que ayudarían a darle estabilidad y
funcionamiento al mismo. Una vez que se tuvo
dicho prototipo impreso y armado, se evaluó su
funcionamiento y desempeño, así como la
interacción entre sus componentes (figura 3).
Figura 3 Primer prototipo del sistema de transmisión
epicicloidal
Etapa 4: Validar
La cuarta etapa determinó la mejor alternativa
de solución por medio de pruebas de
funcionamiento y determinar si cumplía con los
requisitos necesarios para que se incorporará al
generador eólico propuesto, con el fin de lograr
la apropiación del producto o servicio.
4.1 Testear: Las pruebas realizadas brindaron
mejoras necesarias para optimizar el diseño
principal.
Seguido de ello, se realizaron nuevas
simulaciones, dando como resultado el rediseño
en la configuración de los engranajes
planetarios y epicicloidales; así como el
acoplamiento de un segundo engrane solar y la
restructuración de los engranes epicicloidales,
lo que optimizaría la potencia que generaría la
turbina, sin tener que modificar en su totalidad
el diseño inicial (figura 4). Se volvió a imprimir
el prototipo final del sistema de transmisión se
evaluó su funcionamiento y desempeño, así
como la interacción entre sus componentes.
Figura 4 Modelo CAD del prototipo final del sistema de
transmisión epicicloidal
4.2 Implementar: Se realizó una trasferencia de
la tecnología, con el fin de que el cliente
pudiera comercializar adecuadamente el
sistema de transmisión epicicloidal está
constituido por dos etapas, cada uno con un
engrane corona y un sistema de engranaje
planetario (figura 5).
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Figura 5 Segundo prototipo del sistema de transmisión
epicicloidal
Como resultado final de la investigación
se desarrollo un prototipo de un sistema de
transmisión epicicloidal para la multiplicación
de un par motor por medio de la generación de
una caja multiplicadora de revoluciones con
engranes paralelos y planetarios. Mismo que
está constituido por dos etapas, cada uno con un
engrane corona y un sistema de engranaje
planetario; la primera etapa cuenta con un
engrane solar de noventa dientes, un engrane
solar de 30 dientes y tres engranes planetarios
de treinta dientes generando una relación 1:3. Y
la segunda etapa cuenta con un engrane corona
de 100 dientes, un engrane solar de 20 dientes y
tres engranes planetarios de 40 dientes,
generando al final una relación 1:5. Los
engranes corona se encuentran sostenidos por
dos soportes corona y las dos etapas se
encuentran conectadas y sostenidas a través de
un eje central y dos relacionadores.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su agradecimiento
al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
(CONACYT, México) por la ayuda económica
para realizar este proyecto, por medio del fondo
PROINNOVA 242145 Green & Blue
Manufacture, PEI 2017.
Conclusiones
Cada innovación representa un catalizador del
desarrollo económico de una empresa, que
puede tener una fuerte implicación social, cuya
relación entre costo y resultado sea razonable y
eficiente, con alta potencialidad de
replicabilidad y capacidad para transformarse
en políticas públicas y mejorar el entorno
social. Con base en la metodología utilizada de
analizar los desarrollos tecnológicos existentes,
realizar un mapeo tecnológico, establecer
requerimientos del producto, tener una relación
estrecha con el cliente y generar validaciones
por cada etapa; fue posible desarrollar una caja
de transmisión que fuera diseñada para una
microturbina eólica. Esta caja de transmisión
requirió análisis de elemento finito, de
funcionamiento y esfuerzo; así como un
proceso iterativo de rediseño y validación de
prototipos tridimensionales a escala 1:3. No
obstante, se obtuvo un sistema de transmisión
epicicloidal que fuese capaz de minimizar la
pérdida del torque y reducir el peso de la caja
de transmisión de un generador eólico de bajo
costo y potencia nominal aproximada de 25
kw/h.
Debido a la heterogeneidad de cada
situación, sólo se pueden aportar diferentes
parámetros y elementos de ayuda hacia la
implementación de acciones específicas que
generen con éxito productos innovadores, como
elementos de valor y diferenciación.
Referencias
González - Longatt, F.M (2007) Sistema
mecánico de transmisión de aerogeneradores de
eje horizontal, Reporte de Investigación,
Iniciativa para la Investigación y Desarrollo de
la Energía Eólica, 16
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Instrucciones para autores
[Título en Times New Roman y Negritas No.14]
Apellidos en Mayúsculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en Mayúsculas -2do Nombre de Autor Correo institucional en Times New Roman No.10 y Cursiva
(Indicar Fecha de Envio: Mes, Dia, Año); Aceptado (Indicar Fecha de Aceptación: Uso Exclusivo de ECORFAN)
Resumen
Titulo
Objetivos, metodología
Contribución
(150-200 palabras)
Indicar (3-5) palabras clave en Times New
Roman y Negritas No.11
Abstract
Title
Objectives, methodology
Contribution
(150-200 words)
Keywords
Cita: Apellidos en Mayúsculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en Mayúsculas -2do Nombre de Autor. Título del
Artículo. Título de la Revista. 2017, 1-1: 1-11 – [Todo en Times New Roman No.10]
† Investigador contribuyendo como primer autor.
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Instrucciones para autores
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Mayúsculas -2do Nombre de Autor. Título del Artículo. Título
de la Revista. 2017- [Redactado en Times New Roman No.9]
Introducción
Texto redactado en Times New Roman No.12,
espacio sencillo.
Explicación del tema en general y explicar
porque es importante.
¿Cuál es su valor agregado respecto de las
demás técnicas?
Enfocar claramente cada una de sus
características
Explicar con claridad el problema a solucionar
y la hipótesis central.
Explicación de las secciones del artículo
Desarrollo de Secciones y Apartados del
Artículo con numeración subsecuente
[Título en Times New Roman No.12, espacio
sencillo y Negrita]
Desarrollo de Artículos en Times New Roman
No.12, espacio sencillo.
Inclusión de Gráficos, Figuras y Tablas-
Editables
En el contenido del artículo todo gráfico, tabla
y figura debe ser editable en formatos que
permitan modificar tamaño, tipo y número de
letra, a efectos de edición, estas deberán estar
en alta calidad, no pixeladas y deben ser
notables aun reduciendo la imagen a escala.
[Indicando el título en la parte inferior con
Times New Roman No.10 y Negrita]
Grafico 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.
Figura 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.
Tabla 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberan ser imágenes- todo debe ser editable.
Cada artículo deberá presentar de manera
separada en 3 Carpetas: a) Figuras, b) Gráficos
y c) Tablas en formato .JPG, indicando el
número en Negrita y el Titulo secuencial.
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Para el uso de Ecuaciones, señalar de la
siguiente forma:
∑ (1)
Deberán ser editables y con numeración
alineada en el extremo derecho.
Metodología a desarrollar
Dar el significado de las variables en redacción
lineal y es importante la comparación de los
criterios usados
Resultados
Los resultados deberán ser por sección del
artículo.
Anexos
Tablas y fuentes adecuadas.
Agradecimiento
Indicar si fueron financiados por alguna
Institución, Universidad o Empresa.
Conclusiones
Explicar con claridad los resultados obtenidos y
las posiblidades de mejora.
Referencias
Utilizar sistema APA. No deben estar
numerados, tampoco con viñetas, sin embargo
en caso necesario de numerar será porque se
hace referencia o mención en alguna parte del
artículo.
Ficha Técnica
Cada artículo deberá presentar un documento
Word (.docx):
Nombre de la Revista
Título del Artículo
Abstract
Keywords
Secciones del Artículo, por ejemplo:
1. Introducción
2. Descripción del método
3. Análisis a partir de la regresión por curva de
demanda 4. Resultados
5. Agradecimiento
6. Conclusiones
7. Referencias
Nombre de Autor (es)
Correo Electrónico de Correspondencia al
Autor Referencias
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Formato de Originalidad
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Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables por lo que deberán firmar los
autores antes de iniciar el proceso de revisión por pares con la reivindicación de ORIGINALIDAD de la
siguiente Obra.
Artículo (Article):
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publicación, autorizo a ECORFAN-Spain a difundir mi trabajo en las redes electrónicas, reimpresiones,
colecciones de artículos, antologías y cualquier otro medio utilizado por él para alcanzar un mayor auditorio.
I understand and accept that the results of evaluation are inappealable. If my article is accepted for
publication, I authorize ECORFAN-Spain to reproduce it in electronic data bases, reprints, anthologies or
any other media in order to reach a wider audience.
Artículo (Article):
_____________________
Firma (Signature)
_____________________
Nombre (Name)
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Revista de Prototipos Tecnológicos
“Prototipo de un Bote Inteligente Automatizado con Sistema de
Control en Arduino”
CHABLÉ, José de Jesús & CRUZ, Ivonne
Universidad Tecnológica Fidel Velázquez
“Construcción de modulo solar fotovoltaico de 60 watts utilizando
materiales de bajo costo para pruebas”
VALDEZ-APARCIO, María Magdalena, MORALES-DOMINGUEZ,
Yuval, HERNANDEZ-DOMINGUEZ, Juan Daniel y HERNÁNDEZ-
VELÁZQUEZ, Joel
Universidad Tecnológica de Xicotepec de Juárez
Instituto Tecnológico Superior de Huauchinango
“Diseño y construcción de generador de energía alternativa”
SOLÍS-MELO, Juan Carlos, ARRIAGA-PÉREZ, José Ángel,
MANZANARES-REYES, Nereyda y VALENZUELA-VILLA, Javier
Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte
“Prototipo de control de transferencia eléctrica”
HERNÁMDEZ-BAÑUELOS, Pedro
Universidad Tecnológica de Cd Juárez
“Metodología de diseño iterativo para desarrollar un sistema de
trasmisión epicicloidal para aerogeneradores”
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Universidad Autónoma de Querétaro
Instituto Politécnico Nacional